132 Лабораторная работа № 20 изучение работы электронного осциллографа

Цель работы: изучить устройство и принципы работы электронного осциллографа, выработать навыки работы с ним.

Приборы и принадлежности: электронный осциллограф типа ЭО-7, аппарат электростимуляции мышц АСМ-3, понижающий трансформатор на 12 В, два реостата на 20-50 Ом, два ключа, вольтметр переменного тока на 12 В, конденсатор переменной емкости, соединительный провода.

Теория работы

Слово «осциллограф» состоит из двух частей: латинского oscillo, что означает – качаюсь и греческогоgrapho– пишу.

Электронный осциллограф – радиотехнический прибор, предназначенный для получения информации о разного рода быстропротекающих процессах в виде графиков, выражающих функциональные связи между двумя или более величинами, характеризующими данный процесс. Графики на люминесцирующем экране «рисует» электронный пучок, движением которого управляют с помощью электрических или магнитных полей. С этой целью электрические сигналы параметра-аргумента и функционально связанного с ним параметра-функции падают на отклоняющие системы электронно-лучевой трубки. При этом, в случае, если изучаемое явление имеет неэлектрическую природу, необходимо преобразовать с помощью датчиков параметры неэлектрической природы в адекватный электрический сигнал. Горизонтальное перемещение луча соответствует характеру изменений независимого параметра, соответственно, вертикальное перемещение выражает изменения величины, функционально связанной с независимой переменной. Осциллограммы – графики возникающих на экране зависимостей – можно наблюдать, измерять и фотографировать.

Электронный осциллограф может быть использован для измерения напряжения, определения частоты и фазы переменных токов, исследования формы электрических сигналов, а также измерения очень малых промежутков времени.

Блок-схема осциллографа приведена на рис.1. Он состоит из электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) 1, обеспечивающей получение светящегося пятна в центре экрана; генератора развёртки 2, создающего регулируемое по частоте напряжение, обеспечивающее равномерное перемещение электронного луча в горизонтальном направлении; блока синхронизации 3 для синхронизации частоты развёртки с частотой исследуемого сигнала; усилителей вертикального 4 и горизонтального 5 входов; блока питания 6.

Основным элементом электронного осциллографа (ЭО) является электронно-лучевая трубка (рис.2). Она служит для преобразования электрического сигнала в видимое графическое изображение и представляет собой расширенный с одного конца стеклянный вакуумный баллон (p= 10^-7÷ 10^-8мм.рт.ст.). В её узкой части расположена нить накала 1, катод 2, управляющий электрод или сетка (модулятор) 3, первый фокусирующий анод 4 и второй ускоряющий анод 5. В средней части трубки расположены две пары пластин вертикального 6 и горизонтального 7 входов. Гнёзда входов помечены буквами Вх.Yи Вх.X. Расширенная торцовая часть трубки заканчивается почти плоским экраном, покрытым люминофором, который люминисцирует при попадании на него электронов.

Нить канала 1 и подогревный катод 2 являются источниками электронов. Они окружены трубчатым управляющим электродом с отверстием в дне (сеткой) 3. На управляющий электрод подается отрицательный относительно катода потенциал. Его величина меняется с помощью потенциометра R1, ручка которого на панели ЭО снабжена надписью “Яркость”. Управляющий электрод не только регулирует количество летящих к первому аноду электронов, но и собирает электроны в узкий пучок действием сил статического поля. Для того, чтобы пучок не расходился, на первый анод 4 подается высокое фокусирующее напряжение, регулируемое с помощью потенциометра R2, ручка которого на панели ЭО снабжена надписью “Фокус”. С ее помощью можно получить тонкий электронный пучок, сходящийся на экране.

Ко второму ускоряющему аноду 5 приложено положительное напряжение, достигающее несколько тысяч вольт. Потенциал второго анода препятствует рассеянию электронов и ускоряет их до высоких энергий. В результате чего на экране получается резкая светящаяся точка.

Электронный пучок проходит между вертикалью 6 и горизонталью 7 отклоняющими пластиками. Регулировка вертикального и горизонтального смещения луча осуществляется соответственно с помощью потенциометров R7 иR8. Управление лучом в данной трубке является электростатическим.

Электроны, попавшие на экран, необходимо отводить, чтобы избежать накопления отрицательного заряда на нём. С этой целью внутренняя часть боковой поверхности расширения трубки покрывается слоем графита 8, которому сообщается небольшой положительный потенциал относительно экрана.

На практике очень часто возникает необходимость исследовать, как изменяются параметры изучаемого процесса с течением времени, т.е. получить графическое изображение на экране осциллографа зависимости одной величины от другой, которое называется осциллограммой.

Рассмотримcначала принципы получения безвременных осциллограмм.

Если на вертикально отклоняющиеся пластины ЭЛТ подать переменное напряжение, то электронный луч начнет колебаться в вертикальном направлении. При достаточно большой частоте колебаний (например, 50 Гц) электронный луч оставит на экране трубки светящуюся вертикальную линию.

Если же переменное напряжение подать на горизонтально отклоняющие пластины, то электронный луч оставит на экране трубки светящуюся горизонтальную линию.

При одновременном воздействии переменных напряжений на обе пары пластин в зависимости от соотношения их частот, амплитуд и фаз можно получить различные осциллограммы. Так, при равенстве частот, амплитуд и фаз на экране трубки получится прямая линия, расположенная под углом 45 градусов к оси Ox (рис.3).

Если эти напряжения имеют равные частота, но отличаются амплитудами и фазами, то осциллограмма будет представлять собой эллипс (рис.4). При других соотношениях осциллограммы могут иметь вид более сложных кривых – кривых Лиссажу (рис.5). По этим кривым определяют, в частности, частотные, фазовые или амплитудные соотношения напряжений, подаваемых на отклоняющие пластины.

Для получения временной осциллограммы на вертикальный вход осциллографа подается исследуемое напряжение (рис.6а), а на горизонтальный вход вспомогательное развертывающее пилообразное напряжение (рис.6б). Такое напряжение обеспечивает равномерноедвижение луча от одного края экрана к другому и быстрыйвозврат этого луча к исходному состоянию.

Равномерное движение луча по экрану в горизонтальной плоскости обеспечивает специальное электронное устройство, которое называется генератором развёртки. Напряжение развёртки вначале нарастает пропорционально времени, достигая максимального значения (рис.6б), а затем резко падает.

Если электронный луч движется в вертикальном направлении в соответствии с законом изменений исследуемой величины (например, y=sin wt), то в горизонтальном направлении он движется равномерно, смещаясь вдоль экрана слева направо пропорционально времени x=kt.

Для получения на экране осциллографа устойчивой, неподвижной картины нужно, чтобы электронный луч, пройдя по горизонтали путь от одного края экрана до другого, начинал свое повторное движение в одной и той же фазе. Это может быть только в том случае, если период развертывающего напряжения равен или кратен периоду изменений исследуемого параметра. Как правило, точное соотношение периодов не выдерживается из-за нестабильности работы генератора развертки или самого изучаемого процесса. По этой причине используют принудительное согласование периодов – синхронизацию. Эта операция осуществляется с помощью блока синхронизации. Синхронизация осуществляется с помощью находящихся на лицевой панели осциллографа рукояток: “Диапазон частот”, “Частота плавно”, “Амплитуда синхронизации”.

Усилители горизонтального и вертикального входных каналов позволяют изменять напряжение, подаваемые на горизонтально и вертикально отклоняющие системы электронно-лучевой трубки, при этом изображение на экране растягивается или сжимается по соответствующему направлению.

Блок питания обеспечивает подачу нужных напряжений на ЭЛТ, усилители, генератор развертки и другие узлы осциллографа.